淮阴工学院新能源概论课程论文作 者：蒋乐文 学号：1121617104系：生命科学与化学工程学院专业：新能源科学与工程题目：新能源材料以及应用任课教师：孙金凤2013年6 月 淮安12 级新能源概论课程论文第1页共9页1引言：通过底物进行生物酶催化反应来制得氢气的微生物可分为5个种类，即：异养型厌氧菌、固氮菌、光合厌氧细菌、蓝细 胞和真核藻类。其中蓝细胞和真核藻类产氢所利用的还原性含氢 质是水；异养型厌氧菌、固氮菌、光合厌氧细菌所利用的还原性 含氢物质则是有机物。按氢能转化的能量来源来分，异养型厌氧菌，固氮菌依靠分解有机物产生ATP来产氢；而真核类、蓝细胞、光合厌氧细菌则能通光合作用将太阳能转化为氢能。1 生物质制氢1.1.1 生物量生物质制氢在生物技术领域，生物质又称生物量，是指所有通过光合作用转 化太阳能生长的有机物，包括高等植物，农作物及秸秆，藻类及水生植物等。利 用生物质制氢是指用某种化学或物理方式把生物质转化成氢气的过程。降低生物 制氢成本的有效方法是应用廉价的原料，常用的有富含有机物的有机废水，城市 垃圾等，利用生物质制氢同样能够大大降低生产成本，而且能够改善自然界的物 质循环，很好地保护生态环境。通过陆地和海洋中的光合作用，每年地球上所产 生物量中所含的能量是全世界人类每年消耗量的l0倍。生物质的使用为液态燃 料和化工原料提供了一个有充足选择余地的可再生资源，只要生物质的使用跟得 上它的再生速度，这种资源的应用就不会增加空气中CO的含量。就纤维素类生 物质而言，我国农村可供利用的农作物秸秆达5亿到6亿吨，相当于2亿多吨标 准煤。林产加工废料约3 000万吨，此外还有1000万吨左右的甘蔗渣。这些生 物质资源中，有16到38是作为垃圾处理的，其余部分的利用也多处于低级 水平，如造成环境污染的随意焚烧、采用热效率仅为 10的直接燃烧方法等。 开发生物质制氢技术将是解决上述问题的一条很好的途径。1.1.2 储氢技术1 2 级 新 能 源 概 论 课 程 论 文第 2 页 共 9页目前储氢技术分为两大类即物理法和化学法。前者主要包括液化储氢、压缩储 氢、碳质材料吸附、玻璃微球储氢等；后者主要包括金属化物储氢、无机物储氢、 有机液态氢化物储氢等。传统的高压气瓶或以液态、固态储氢都不经济也不安全， 而使用储氢材料储氢能很好地解决这些问题。其中特别强调的是有机液体氢化物储氢技术，有机液体氢化物储氢技术是 20 世纪 80 年代国外开发的一种新型储氢技术，其原理是借助不饱和液体有机物与 氢的一对可逆反应，即加氢反应和脱氢反应实现的。烯烃、炔烃和芳不饱和有机 物均可作为储氢材料，但从储氢过程的能耗、储氢量、储氢剂和物理性质等方面 考虑，以芳烃特别是单环芳烃为佳。目前研究表明，只有苯、甲苯的脱氢过程可 逆且储氢量大，是比较理想的有机储氢材料。有机物储氢的特点是：(1)储氢量 大；(2)便于储存和运输；(3)可多次循环使用；(4)加氢反应放出大量热可供利 用1.1.3 氢能源优点能源、资源及环境问题迫切需要氢能源来化解这种危机，但目前氢能源的制 备还不成熟，储氢材料的研究大多仍处于实验室的探索阶段。氢能源的制备应主 要集中在生物制氢这一方面，其他制氢方法，是不可持续的，不符合科学发展的 要求。生物制氢中的微生物制氢需要基因工程同化学工程的有机结合，这样才能 充分利用现有科技尽快开发出符合要求的产氢生物。生物质制氢需要技术的不断 改进和大力推广，这些都是一个艰难的过程。氢气的储存主要集中在新材料的发 现方面，对材料的规模化或工业制备还未及考虑，对不同储氢材料的储氢机理也 有待于进一步研究。另外，因为每一种储氢材料都有其优缺点，且大部分储氢材 料的性能都有加合性的特点，而单一的储氢材料的性质也较多地为人们所认识。 因此认为，应该研制出集多种单一储氢材料储氢优点于一体的复合储氢材料是未 来储氢材料发展的一方向。氢能利用方面很多，有的已经实现，有的人们正在努 力追求。氢位于元素周期表之首，它的原子序数为1，在常温常压下为气态，在超低温高压下又可成为液态。作为能源，氢有以下特点：氢是自估计它构成了宇宙质量的75%，除空气中含有氢气外，它主要以化合物的形态贮存于水中，而水12 级 新 能 源 概 论 课 程 论 文第3页共9页是地球上最广泛的物质。据推算，如把海水中的氢全部提取出来，它所产生的总 热量比地球上所有化石燃料放出的热量还大 9000 倍。所有元素中，氢重量最轻。 在标准状态下，它的密度为0.0899g/l；在-252.7C时，可成为液体，若将压力 增大到数百个大气压，液氢就可变为固体氢，除核燃料外氢的发热值是所有化石 燃料、化工燃料和生物燃料中最高的，为142,351kJ/kg，是汽油发热值的3倍。 所有气体中，氢气的导热性最好，比大多数气体的导热系数高出 10 倍，因此在 能源工业中氢是极好。氢燃烧性能好，点燃快，与空气混合时有广泛的可燃范围， 而且燃点高，燃烧速度快。氢能利用形式多，既可以通过燃烧产生热能，在热力 发动机中产生机械功，又可以作为能源材料用于燃料电池，或转换成固态氢用作 结构材料。用氢代替煤和石油，不需对现有的技术装备作重大的改造现在的内燃 机稍加改装。氢可以以气态、液态或固态的氢化物出现，能适应贮运及各种应用 环境的不同要求。氢本身无毒，与其他燃料相比氢燃烧时最清洁，除生成水和少 量氨气外不会产生诸如一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、铅化物和粉尘颗粒等 对环境有害的污染物质，少量的氨气经过适当处理也不会污染环境巨，而且燃烧 生成的水还可继续制氢，反复循环使用。由以上特点可以看出氢是一种理想的新 的含能体能源。目前液氢已广泛用作航天动力的燃料，但氢能的大规模的商业应 用还有待解决以下关键问题：廉价的制氢技术：因为氢是一种二次能源，它的制 取不但需要消耗大量的能量，而且目前制氢效率很低，因此寻求大规模的廉价的 制氢技术是各国科学家共同关心的问题。安全可靠的贮氢和输氢方法 由于氢易 气化、着火、爆炸，因此如何妥善解决氢能的贮存和运输问题也就成为开发氢能 的关键。许多科学家认为，氢能在二十一世纪有可能在世界能源舞台上成为一种 举足轻重的二次能源。氢能是一种二次能源，因为它是通过一定的方法利用其它 能源制取的，而不象煤、石油和天然气等可以直接从地下开采。在自然界中，氢 易和氧结合成水，必须用电分解的方法把氢从水中分离出来。如果用煤、石油和 天然气等燃烧所产生的热转换成的电支分解水制氢，那显然是划不来的。现在看来，高效率的制氢的基本途径，是利用太阳能。如果能用太阳能来制氢，那就等于把无穷无尽的、分散的太阳能转变成了高度集中的干净能源了，其意义十分重大。目前利用太阳能分解水制氢的方法有太阳能热分解水制氢、太阳能发电电解水制氢、阳光催化光解水制氢、太阳能生物制氢等等。利用太阳能制氢有重大的 现实意义，但这却是一个十分困难的研究课题，有大量的理论问题和工程技术问 题要解决，然而世界各国都十分重视，投入不少的人力、财力、物力，并且也已 取得了多方面的进展。因此在以后，以太阳能制得的氢能，将成为人类普遍使用 的一种优质、干净的燃料2 能源的利用2.1.1 能源的历史作用古代，秦始皇统一中国，他想长生不老，曾积极支持炼丹术。其实炼丹术士最 早接触的就是氢的金属化合物。无奈多少帝王梦想长生不老，或幻想遨游太空， 都受当时的科学技术水平所限，真是登天无梯。到后来，1869 年俄国著名学者 门捷列夫整理出化学元素周期表，他把氢元素放在周期表的首位，此后从氢出发， 寻找与氢元素之间的关系，为众多的元素打下了基础，人们则氢的研究和利用也 就更科学化了。至 1928 年，德国齐柏林公司利用氢的巨大浮力，制造了世界上 第一艘“LZ127齐柏林”号飞艇，首次把人们从德国运送到南美洲，实现了空 中飞渡大西洋的航程。大约经过了十年的运行，航程 16 万多公里，使1.3 万人 领受了上天的滋味，这是氢气的奇迹。然而，更先进的是本世纪50年代，美国利用液氢作超音速和亚音速飞机的燃 料，使B57双引擎辍炸机改装了氢发动机，实现了氢能飞机上天。特别是1957 前苏联宇航员加加林乘坐人造地球卫星遨游太空和 1963 年美国的宇宙飞船上 天，紧接着1968年阿波罗号飞船实现了人类首次登上月球的创举。这一切都依 靠着氢燃料的功劳。面向科学的 21世纪，先进的高速远程氢能飞机和宇航飞船， 商业运营的日子已为时不远。过去帝王的梦想将被现代的人们实现。以氢气代替汽油作汽车发动机的燃料，已经过日本、美国、德国等许多汽世公 司的试验，技术是可行的，目前主要是廉价氢的来源问题。氢是一种高效燃料， 每公斤氢燃烧所产生的能量为 33.6千瓦小时，几乎等于汽车燃烧的 2.8 倍。氢气燃烧不仅热值高，而且火焰传播速度快，点火能量低（容易点着），所以氢能 汽车比汽油汽车总的燃料利用效率可高20。当然，氢的燃烧主要生成物是水， 只有极少的氮氧化物，绝对没有汽油燃烧时产生的一氧化碳、二氧化碳和二氧化 硫等污染环境的有害成分。氢能汽车是最清洁的理想交通工具。2.1.2 能源材料氢能汽车的供氢问题，目前将以金属氢化物为贮氢材料，释放氢气所需的热可 由发动机冷却水和尾气余热提供。现在有两种氢能汽车，一种是全烧氢汽车，另 一种为氢气与汽油混烧的掺氢汽车。掺氢汽车的发动机只要稍加改变或不改变， 即可提高燃料利用率和减轻尾气污染。使用掺氢5左右的汽车，平均热效率可 提高15，节约汽油30左右。因此，近期多使用掺氢汽车，待氢气可以大量 供应后，再推广全燃氢汽车。德国奔驰汽车公司已陆续推出各种燃氢汽车，其中 有面包车、公共汽车、邮政车和小轿车。以燃氢面包车为例，使用200公斤钛铁 合金氢化物为燃料箱，代替65升汽油箱，可连续行车130多公里。德国奔驰公 司制造的掺氢汽车，可在高速公路上行驶，车上使用的储氢箱也是钛铁合金氢化 物。2.1.3 能源效率掺氢汽车的特点是汽油和氢气的混合燃料可以在稀薄的贫油区工作，能改善整 个发动机的燃烧状况。在我国许当城市交通拥挤，汽车发动机多处于部分负荷下 运行、采用掺氢汽车尤为有利。特别是有些工业余氢（如合成氨生产）未能回收 利用，若作为掺氢燃料，其经济效益和环境效益都是可取的。大型电站，无论是水电、火电或核电，都是把发出的电送往电网，由电网输送 给用户。但是各种用电户的负荷不同，电网有时是高峰，有时是低谷。为了调节 峰荷、电网中常需要启动快和比较灵活的发电站，氢能发电就最适合抢演这个角 色。利用氢气和氧气燃烧，组成氢氧发电机组。这种机组是火箭型内燃发动机配 以发电机，它不需要复杂的蒸汽锅炉系统，因此结构简单，维修方便，启动迅速12 级 新 能 源 概 论 课 程 论 文第6页共9页要开即开，欲停即停。在电网低负荷的，还可吸收多余的电来进行电解水，生 产氢和氧，以备高峰时发电用。这种调节作用对于用网运行是有利的。另外，氢 和氧还可直接改变常规火力发电机组的运行状况，提高电站的发电能力。例如氢 氧燃烧组成磁流体发电，利用液氢冷却发电装置，进而提高机组功率等。二次能源是联系一次能源和能源用户的中间纽带。二次能源又可分为“过程性 能源”和“含能体能源”。其储量日益减少，终有一天这些资源将要枯竭，这就 迫切需要寻找一种不依赖化石燃料的、储量丰富的新的含能体能源。氢能正是一 种在常规能源危机的出现、在开发新的二次能源的同时人们期待的新的二次能 源。虽然燃料电池发动机的关键技术基本已经被突破，但是还需要更进一步对燃 料电池产业化技术进行改进、提升，使产业化技术成熟。这个阶段需要政府加大 研发力度的投入，以保证中国在燃料电池发动机关键技术方面的水平和领先优 势。这包括对掌握燃料电池关键技术的企业在资金、融资能力等方